（电力电子与电力传动专业论文）大型异步电机无速度传感器控制的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 a bs t r a c t m u l t i l e v e li n v e r t e r sa r ev e r ys u i t a b l ef o rh i g h - v o l t a g ea n dh i g hp o w e r c o n v e r s i o na p p l i c a t i o n s ，f o rt h e yh a v et h ea d v a n t a g e ss u c h a sl o wv o l t a g e s t r e s s e sf o rp o w e rd e v i c e sa n da b s e n c eo fv o l t a g ee v e n n e s so fp o w e rd e v i c e s c o m p a r e dw i t ht h et o p o l o g yo fs e r i e sc o n n e c t i o n a n dt h es p a c ev o l t a g ev e c t o r c o n t r o lo fi n d u c t i o nm o t o r sh a sb e e nw i d e l yu s e di 1 1r e c e n ty e a r sb e c a u s eo fi t s s i m p l em e t h o d sa n dh i g hs t a b l e t r a n s i e n tp e r f o r m a n c e t h i st h e s i s c o m p r e h e n s i v e l yd e s c r i b e s t h e d e v e l o p m e n tf u t u r e a n dt h e p r e s e n td e v e l o p m e n tc o n d i t i o n o fm u l t i l e v e li n v e r t e r a n dt h e np r e s e n tt h e d e v e l o p m e n to fd i r e c tt o r q u ec o n t r o la l g o r i t h m s f o ri n d u c t i o nm o t o r sf e db y t h r e e 1 e v e ld i o d e 。c l a m p e di n v e r t e r ( n e u t r a l p o i n tc l a m p e d ，n p c ) o nt h eb a s i so ft h e o r yo fd i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，t h i st h e s i ss y s t e ma n a l y s e s t h ei n h e r e n tp r o p e r t yo ft h r e e 1 e v e li n n e rv e c t o r s a n di n t r o d u c e dt h ea p p l i c a t i o n o ff i x i n gv e c t o rc o m p o u n d b a s e do nt h ew a yo fk e e p i n gn e u t r a lp o i n tb a l a n c i n g a n dr e d u c i n gt h ep u l s a t i o nt o r q u e a i m e da th i g hp o w e ri n d u c t i o nm o t o lt h i s t h e s i sb r o u g h tf o r w a r daw a yt of o r m12 b o r d e r ss t a t o rm a g n e t i cf i e l d ，i tc a n r e d u c et h ef r e q u e n c yo fs w i t c h t h i st h e s i sa d o p t e dm r a sw a yt oo b s e r v et h es p e e do fm o t o nt h e nt h i s c o n t r o lw a yc a nr e m o v et h es p e e ds e n s o r si nm o t o rd r i v e r s f i n a l l y , t h i st h e s i ss i m u l a t e sa l g o r i t h mp r o p o s e dw i t hm a t l a b k e yw o r d s ：t h r e e - l e v e li n v e r t e r ；d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ；i n d u c t i o nm o t o r s ； s p e e ds e n s o r - l e s st e c h n i q u e ； 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密嘭使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 指导老师签 日 腕 摊甲 孝 名期 签 日 耆作文沦 位学 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均己在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 、针对大功率逆变器开关频率不高这一特点，在直接转矩控制的电机 中采用了十二边形的磁链形成方案，在保证转矩脉动不大的情况下，有效的 降低了逆变器开关频率。 ? 力秒 刀 沙吁易f l l 咖 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 研究背景和意义 近些年来，随着我国国民经济的迅速发展，工业、电力、交通、新能源 及其它一些相关领域对大容量电力电子变换设备的需求更加迫切，这些设备 的功率目前已达到兆瓦级，而可控交流传动在兆瓦级范围内常常会和中压电 网联系在一起。 目前，交流传动已经成为电气传动领域的主流，低压中小容量的变频调 速技术在国内已得到广泛的应用，而对于中高压大功率领域的应用研究尚处 于起步阶段，主要依靠进口一些国外著名电气公司的变频传动装置，这些产 品在国内的价格十分昂贵，而且核心技术仍为国外公司所掌握，所以我们很 有必要研究属于自主知识产权的中高压大功率变频装置。多电平逆变器的电 路拓扑结构避免了功率开关器件直接串联引起的动态均压问题，同时降低了 电压变化率，减少了共模干扰，相应提高了电机效率，成为中大功率交流传 动领域研究的重点【l 】，许多国际著名电气公司都开发了以三电平逆变器为核 心的交流传动系统，容量可达数十兆瓦，成功应用于钢铁轧机、矿井提升机、 风机、水泵、压缩机以及电力机车、城市轨道交通等领域。我国正处于国民 经济高速发展的大好时机，电力电子与电力传动学科的发展也不例外，各高 校和科研院所都在积极研发新一代的电气传动设备，开发利用新能源。显然， 开发出具有自主知识产权的大功率多电平逆变器交流传动系统，不仅具有显 著的经济效益而且具有深远的社会效益。 1 2 基于三电平逆变器的直接转矩控制系统 多电平变换器及其相关技术的研究与应用，是现代电力电子技术的最新 发展之一，它主要面向高压大容量的应用场合。与传统的两电平逆变器相比， 多电平变换器能够减小输出谐波和输出滤波器的容量，整体效率高，共模干 扰小，有更多的电压矢量选择空间，同时可以用相对低压的器件实现高压大 容量输出。这一技术对于高压大容量电能变换、提高用电效率具有重要意义， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 是当前电力电子技术的研究热点之一k 。 虽然采用多电平这种优越的拓扑结构的商用产品直到上世纪八十年代中 期才出现，但是今天越来越多的商业化产品都己经开始应用基于多电平变换 器的结构。全球范围内越来越多的关于多电平逆变器的研发成果正在不断地 出现。在国内，有不少高校和科研院所在进行高压大容量多电平变换器研究， 其中具有代表性的有浙江大学、清华大学、同济大学和南京航空航天大学等。 目前关于多电平变换器的研究成果不少，新的拓扑结构和控制方法也不断地 被提出，但多数都还停留在实验室研究阶段，中高压大容量变换装置产业化 的应用尚处于起步阶段，还缺乏足够成熟和定型的产品，因此要实现多电平 变换技术产业化的大容量多电平变换器产品，还需要我们坚持不懈的努力。 直接转矩控制理论由于其控制思想新颖、系统结构简单和动、静态特性 优良，得到了迅速的发展。采用空间电压矢量的分析方法对定子磁场定向， 直接在静止坐标系下计算转矩和定子磁链，借助于两点式调节控制器产生信 号，直接对逆变器开关状态进行控制，以获得转矩的高动态性能。 直接转矩控制系统的工作原理为首先通过速度传感器得到电机实际转速 国与给定转速国宰比较，然后通过转速调节器得到转矩给定值r ，转速调节 器一般采用p i 控制器实现。电机定子电流和电压值由检测单元检测出后输入 感应电动机的磁链和转矩计算单元得到定子磁链的幅值j 、壬，si 和所在区间信 号驯及转矩实际值。实际转矩与转矩给定值z 木经转矩调节器处理后得到转 矩开关信号。磁链给定值与磁链计算值经磁链调节器综合产生磁链开关信号。 开关信号选择单元综合磁链开关信号、转矩开关信号和磁链位置信号，通过 查表得到正确的电压开关信号来控制电机的准确运行。因此，直接转矩控制 的关键技术主要包括电压空间矢量的选择、磁链的观测和控制、转矩的观测 控制等。 直接转矩控制技术与传统的矢量控制相比，具有以下特点： 控制结构非常简单。传统的转子定向控制系统需要四个调节器和一个单 独的调制器，而直接转矩控制仅需要一对滞环控制器和一个速度调节器，使 得直接转矩控制具有更优良的动态性能。直接转矩控制的运算均在定子静止 坐标系中进行，不需要在旋转坐标系中对定子电流进行分解和设定，所以不 需要像矢量控制那样进行复杂的坐标变换，大大地简化了控制系统结构和运 算处理过程，提高了控制运算速度。直接转矩控制利用一对滞环比较器直接 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 控制定子磁链和转矩，而不是像矢量控制那样，通过控制定子电流的两个分 量间接地控制电机的磁链和转矩。直接转矩控制一般采用电压空间矢量，并 根据磁链和转矩滞环比较器的输出，直接对逆变器开关管的导通与关断进行 最佳控制，最终产生离散的电压输出，因此传统的直接转矩控制系统不需要 单独的p w m 脉宽调制器。 然而，由于直接转矩控制在结构上存在固有的缺陷，理论上的不够完善 使得其自身存在许多不足之处 4 - 6 1 。 一，对定子磁链的计算要求高直接转矩控制要求精确计算定子磁链的幅 值和所在的位置才能选择正确的定子电压空间矢量。如果计算的定子磁链的 幅值和相位出现较大误差，那么计算出的磁链开关量、转矩开关量和定子磁 链所在的扇区就会出错，从而造成电压空间矢量误选，控制性能就会变坏， 甚至失控。 二，低速时转矩脉动严重。直接转矩控制的转矩和磁链调节器采用非线 性滞环比较器，只知道误差方向而不知道误差大小，不可避免地造成了转矩 脉动，滞环比较器还导致逆变器的开关频率不固定，也影响转矩脉动的大小， 开关频率越高，脉动较小，反之开关频率越小，脉动较大同时在低速下，由 于零矢量的引入，使磁链自然衰减造成磁链畸变。 三，定子电阻的变化影响系统性能。大部分转速估计方案在转速估计过 程中是依赖于电机模型的，并且需要获得准确的全部或大部分电机参数，其 中包括定子电阻。因电机的参数会随着电机的运行环境而发生变化，在磁链 观测器中采用十分准确的电机参数是十分困难的，尤其是定子电阻阻值随着 电机温度变化的幅度较大，因此会对磁链观测精度产生不良的影响。如果能 够实现对定子电阻的在线辨识，将会大大地提高磁链和转速的观测精度，并 能够进一步提高系统的鲁棒性。 以上这些问题一直阻碍着直接转矩控制技术的进一步发展。因此，改进 传统直接转矩控制系统性能的研究已成为目前交流传动界的热点领域，迫切 需要采用新的控制策略和控制手段来对直接转矩的控制策略进行研究。 1 3 无速度传感器技术 目前调速系统中速度反馈量的检测多是采用光电脉冲编码器或测速发电 机，由于高精度速度传感器的价格昂贵，使得控制系统的成本显著增加同时 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 速度传感器的安装存在同心度问题，使速度传感器成为系统的故障源，降低 了系统的机械可靠性，在某种程度上破坏了异步电动机简单、牢固和可靠的 特性，限制了交流调速系统的应用范围。因此研究无速度传感器的交流调速 系统，对提高系统的可靠性、环境的适应性具有重要意义1 8 2 引。 由于安装在电机端的速度传感器增加了系统的复杂性和成本，降低了系 统的可靠性。因此，自世纪年代后期以来，无速度传感器感应电机调速系统 越来越引起人们的关注。无速度传感器技术就是利用较易获取的检测量如定 子电压和电流等，通过相应的算法计算出电机转速，从而取代原来依赖转速 传感器获取转速的方法。 早期大多数的研究都是针对采用磁场定向控制的感应电机调速系统。此 后，随着感应电机直接转矩控制理论的出现，无速度传感器方法在这一领域 得到迅速的发展。目前无速度传感器感应电机控制系统已成为电机控制研究 的热点，其核心问题就是对转子的速度进行估计。 从定子侧比较容易获取的物理量如定子电压、定子电流中计算出与速度 有关的量，从而得到转子速度，并将其运用到速度反馈控制系统中。在电机 参数己确定的情况下，转速的辨识和无速度传感器的设计并不存在理论上的 困难，但要在实际中获得高性能，就必须解决转速辨识对电机参数的适应性 问题和对系统稳定性的影响。 对于直接转矩控制系统，由于转矩脉动会引起转速脉动，因此速度的估 算难度更大。随着数字信号处理d s p 芯片技术的快速发展，各种现代控制理 论可以应用到高性能感应电机调速系统中，使得无速度传感器控制技术得到 了迅猛的发展。近年来，国内外学者针对无速度传感器技术进行了大量的研 究工作，相应的转速估计方法有：基于电机模型的直接计算法、模型参考自 适应法、自适应速度观测器法、扩展卡尔曼滤波法、转子齿谐波法和神经网 络控制法等。 其中模型参考自适应法( m r a s ) 是一种常用的速度辨识方法。它的辨 识速度的主要思想是将不含未知参数的方程作为参考模型，而将含有待估计 参数的方程作为可调模型，两个模型具有相同物理意义的输出量。利用两个 模型输出量的误差构成合适的自适应律来实时调节可调模型的参数，以达到 控制对象的输出跟踪参考模型的目的，其结构如图1 1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 图卜1模型参考自适应结构图 依据模型输出量的不同，m r a s 又可分为基于转子磁链估算法、基于定 子磁链估算法基于反电势估算和基于无功功率估算法。m r a s 应用到转速估 计方面较有影响的工作是s c h a u d e r 提出的转速辨识方法。该方法将不含有真 实转速的磁链方程作为可调模型，以定子磁链作为比较输出量，采用比例积 分自适应律进行速度估计，状态和速度的渐进收敛性由p o p o v 超稳定性理论 来保证。这种方法由于仍采用电压模型法来估计转子磁链，引入了纯积分环 节，使得在低速时转速的误差较为明显。基于反电势估算法是基于转子磁链 估算法的改进，避免了纯积分环节，但低速性能受定子电阻的影响。f z p e n g “提出一种基于无功功率的模型参考自适应方法，该方法在参考模型和可调 模型中都不含有定子电阻，因此对定子电阻具有完全的鲁棒性【5 】。 m r a s 是以参考模型准确为基础，参考模型与可调模型都与电机参数有 关，参数的准确程度直接影响到转速的辨识。而电机的电阻与电感随着工况 的不同在变化，所以如何同时对多个参数进行辩识，保证参数和系统状态同 时收敛到真值，是m r a s 方法面临的一个重要问题。此外，m r a s 中p o p o v 超稳定准则仅保证状态与速度估算的稳定性与渐近收敛，并不能保证速度估 算值与实际值在动态过程中保持一致。所以，动态过程中速度估算仍然是有 差估计。 总之，现有的速度辨识方法大多数是针对矢量控制系统的，与直接转矩 控制系统结合时效果不如矢量控制时好，或难于适用直接转矩控制系统。因 此需要对直接转矩控制系统中的转速辨识策略进行进一步的研究。目前在直 接转矩控制中晟常用的方法是模型参考自适应速度观测器法。 1 4 本文研究的目的和主要内容 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 本文对三电平逆变器的控制技术进行了深入研究，着重探讨了三电平空 间电压矢量调制方法，深入分析了中点电压波动的机理及其控制方法，并对 三电平逆变器直接转矩控制技术进行了探讨，同时还对直接转矩控制中的磁 链观测和无速度传感器技术进行了深入研究和探讨，主要研究内容如下： 本章针对国内外的高压大容量多电平变换技术发展现状和交流传动控制 技术进行了一个简要的综述。着重分析了多电平拓扑结构的发展和研究现状， 讨论了交流调速的发展和直接转矩控制技术的特点，同时还阐明了本文选题 的目的和研究意义。 第二章详细论述了二极管钳位型三电平逆变器空间电压矢量调制的工作 原理和实现方法，建立了三电平逆变器的数学模型，然后分析了异步电机的 数学模型，建立了两相静止坐标系下三电平逆变器异步电机系统的完整的数 学模型，最后分析了直接转矩控制的基本原理和实现过程。 第三章论述了三电平逆变器异步电机控制技术中首先需要解决的几个问 题，分析了空间电压矢量调制方式下的三相负载电流流进和流出中点对于中 点电压的影响，深入研究了中点电压波动的机理，为中点电压平衡控制提供 了理论基础。然后分析了一种基于固定合成矢量方式的三电平异步电动机直 接转矩控制( d t c ) 方法，不但有效地控制了三电平逆变器的中点电压，并 抑制了输出电压的跳变；而且具有转矩输出高频脉动小，转子转速波动较小 的优点。仿真证明此方法在直接转矩控制的三电平逆变器供电的异步电动机 可以有效抑制中点电压的波动。针对大功率电机控制中逆变器开关频率不高 这一特点，提出了电机高速运行状态下采用十二边形磁链方案，在对转矩影 响不大的情况下，很好的降低了开关频率。 第四章首先讨论了基于电机数学模型直接推导的定子磁链估算方法，并 对其估算性能进行了深入分析，在此基础上探讨了一种改进的电压模型法。 提出以定子电流、定子磁链为状态变量构成异步电机全阶状态观测器的方案， 并系统地给出了这种全阶状态观测器的设计方法。着重研究了基于全阶状态 观测器的电机磁链观测方案、速度辨识方法及定转子电阻参数的辨识算法。 第五章进行了仿真系统的搭建，并对上述章节提出的问题及解决方法进 行了仿真论证。 最后全文的工作做了总结。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章直接转矩控制的基本原理 在引言中介绍了直接转矩控制的基本原理，本章着重介绍基于三电平逆 变器的异步电动机直接转矩控制系统的基本原理。 2 1 电机控制的主电路 2 1 1 三电平逆变器的基本原理 二极管中点钳位型( n p c ) 三电平逆变器的基本拓朴结构如图2 - 1 所示。 图2 - 1 二极管中点筘位型三电平逆变器基本拓扑 在三电平逆变电路中，每相桥臂上有4 个i g b t 、2 个箝位二极管和4 个反向恢复二极管。在运行过程中，始终保证每相桥臂的l 、3 管互锁，2 、 4 管互锁，即1 管导通，3 管关断。因此，每相的输出有三种电平：以a 相 桥臂为例，当t 1 1 和t 1 2 导通时，输出接正母线p ；当s 2 和s 3 导通时， 输出接零母线0 ；当t 1 3 和t 1 4 导通时，输出接负母线n 。如果定义每相 的开关函数为s i ( i = a 、b 、c ) 为三值函数。当某相桥臂的输出接正母线时， 对应的开关状态s i = l ；当该相的输出接零母线时，对应的开关状态s i = o ： 当该相的输出接负母线时，对应的开关状态s i = - i ( 有些文献中采用的是2 、 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 l 、0 表示) 。因此，对于三电平逆变器来说，每相可以有三种开关状态。 从拓扑结构来看，每一时刻每相有两个开关器件关断，每个i g b t 所承受的 最大反相压降只有直流侧母线电压的一半，因此，使用同样的开关器件，可 以得到比两电平更高的系统容量。另一方面，从控制角度看，三电平逆变电 路可以避免上、下桥臂器件同时开通或者关断的情况，即器件不是直接串并 联使用。因此，在相同的直流电压下，该拓扑结构比使用器件串联的两电平 结构更加可靠。 2 1 2 电压空间矢量 开关函数s i ( i = a 、b 、c ) 为三值函数( 1 、o 、一1 ) ，这样，在三相系统 中s a 、s b 、s c 可以构成3 3 = 2 7 个开关状态组合。如果引入p a r k 矢量变 换( 见式( 2 - 1 ) ) ，将产生2 7 个电压空间矢量，并可以划分为四类，其中大 开关矢量有6 个，中开关矢量有6 个，小开关矢量有1 2 个，零开关矢量 有3 个。三电平逆变器电压空间矢量分布如图2 - 2 。 念 p p op 蜊 黝， -i帕0-oop 夥v ， 图2 - 2 三电平逆变器电压空间矢量分布 p a r k 矢量变换： u s ( f ) = 詈阮 ，+ “6 e 止州3 + “洲p p 州3 】 ) ， = ( “。“0 ) + ( “6 。一“o ) p 口州3 + ( “。口- u n o ) e 。4 州3 】 ) ， = 氧“+ e 口州3 + p p 州3 】 其中，u a n 、u 驯、u 洲分别是电机a 、b 、c 三相定子负载绕组的相 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 电压，u 、u 幻、u 。分别是a 、b 、c 三相对直流侧中点0 的电压。 2 2 坐标变换 1 a b c 坐标系至筇坐标系( 两相静止坐标系) 的变换( 3 s 2 s 变换或 c l a r k e 变换) 参考电压矢量与相电压的关系如图2 - 3 所示。设与参考电压相对应的三 相电压为阢，u b ，u c ，由p a r k 矢量定义： 一v = 詈( 仉+ e y 2 叩u s + e j 4 刑3 阢) ( 2 1 ) 根据实部、虚部相等： 圪= ；c = 遣2 ， = ；( 孚一半) 且有：玑+ 叽+ 阢= 0 b 、 c ， 图2 - 33 s 2 s 坐标变换 由以上三式可以得到： 豺 2 31 31 3 01 矗一1 矗 ll l g j l v 胁d 铂0。 o ( 2 - 3 ) 换变 标坐s2 2 4 - 2、lj 图 l 以上 陲 u u u 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 对式( 2 - 3 ) 求逆后可得： r 砜、l i l 2 l 址j 1 一l 2 1 2 ( 2 - 4 ) 2 d - q 坐标系( 同步旋转坐标系) 至筇坐标系的旋转变换( 2 r 2 s 变换 或p a r k 变换) 在上面的三相两相变换中，两个坐标系都是静止的，在磁场定向控制中， 关键是找到定子电流在以转子磁链为d 轴，且与转子磁链同步旋转的坐标系 中的分量，并加以控制。 两相静止坐标系筇中的向量在转子磁链同步旋转d - q 坐标系中分解，可 以得到旋转变换： 乏 = 。一c s o ；s n 0 9cs。inso臼|i【iv, c2 5 ， 变换公式为： c 2 ，：，= i l c s o i s n 0 臼c s 。i n s6 臼 反旋转变换如下： 蹦c 咖o s 0 - s i 叫no【-v纠 变换公式为： c 2 r 2 s - i c o n s 糕- s i n 爿0 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 2 3 三电平逆变器数学模型 本文对三电平逆变器采用开关模型来表示其工作原理，即将每相桥臂等 效为一个单刀三掷开关，如图2 5 所示 2 ，- 坦 2o 压一射。西西 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 上千千= = l s a i a 一 丝2 u 朋 、s bi b h ! ci 一 仉r7 2 u 目d t j r1 = 图2 5 二电半惩殳器 设直流母线p 、0 、n 三点对直流侧中点。的电压分别为“即、“仰( 即 中点电压偏移量) 、u 。，显然，它们与直流侧母线电压u d 之间的关系如下： u p o - - - m 卟三 v 0 。= u 即一u j 口口2 v o 。一虬。 ( 2 9 ) 逆变器输出电压与三相开关函数和直流侧各电压之间的关系如下： = 墅学+ 堡寻竿+ 墅学一s 2 u d + ( 1 一s ；) u o o = 坠学+ 堡寻擎+ 墅学= 孚+ ( 1 一霹) 1 = 掣+ 掣半= 孚州一) u o o 定义中点电流乇流出直流侧为正方向，由于u 。+ 以。= 为常数，电压 和u n 。变化相反，所以直流侧两个电容( c 1 = c 2 ) 上的电流( 均以向下为 正方向) 有如下关系： 铲c 等叫：= - c d 矿u o = 知 设逆变器输出三相电流分别为a 、之，则中点电流有如下表达式： 乇= ( 1 一5 ：) + ( 1 一5 苫) 乇+ ( 1 一) 之 ( 2 一1 3 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 2 4 异步电动机的数学模型 异步电机是一个非线性、多变量、强耦合的系统，为了简化其分析，通 常作如下假定： 1 异步电机的磁路是对称的，不计磁饱和的影响。 2 电机定转子三相绕组在结构上完全对称，在空间互差1 2 0 度，不计边缘 效应。 3 定转子表面光滑，无齿槽效应，定转子每相气隙磁势在空间呈正弦分布。 4 涡流及铁芯损耗忽略不计。 基于上述假定，在定子q b 坐标系下异步电动机的方程可以表示如下： u s = 尺s i s + 虮 (2-14)0=u r = rr ir 七哆r j vr 虬2 皇+ ? ( 2 - 1 5 ) 妒r = l m i s + l r i r 综合上述两式可得如下矩阵表示： “船 u s 8 “，口 u r 8 r + l , p 0 厶p 心 o r s + l s p c o l l m p l p 0 r + 三，p o l , 0 厶p 缈厶 r r + l r p z 跗 l s 8 z r 口 z ，口 式中， p 为微分算子，p = _ d d f “，“船，“，口分别为定子电压，定子电压q 轴分量，定子电压b 轴分量。 “，“加分别为转子电压，转子电压q 轴分量，转子电压b 轴分量。 ，i , o ，如分别为定子电流，定子电流q 轴分量，定子电流b 轴分量。 f ，口，k 分别为转子电流，转子电流q 轴分量，转子电流b 轴分量。 ( 2 1 6 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 虬，y 阳，y 妇分别为定子磁链，定子磁链q 轴分量，定子磁链b 轴分量。 虬，v 俐”口分别为转子磁链，转子磁链q 轴分量，转 足，耳 分别为定子电阻，转子电阻。 t ，l分别为定子等效自感，转子等效自感，定 u 为转子角速度。 异步电动机的电磁转矩方程如下： 乃= n p ( y 皿i 卢一y ，卢0 ) 异步电动机的运动方程如下 i d o ) ：号n ( 乃一r l ) d tj 、6 式中， n 。为极对数，j 为转动惯量。 2 5 三电平直接转矩控制的基本原理 三电平直接转矩控制系统结构框图如图2 - 6 所示。 子磁链1 3 轴分量。 转子等效互感。 图2 6 三电平直接转矩控制系统结构图 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 三电平直接转矩控制的基本原理是：根据采样得到的电压、电流信号， 计算出定子磁链和电磁转矩；由速度传感器或者转速辨识获得电机转速，经 p i 调节器给出转矩给定值；将转矩和磁链给定值与计算值进行滞环比较，将 其误差限制在给定范围内；经矢量选择单元输出控制信号，控制开关器件的 导通和关断，实现变频调速。 2 5 1 定子磁通控制原理 磁通是电机控制中的关键，磁通控制的好坏，对电机的运行性能有很大 影响。一般的系统中，在额定转速以下，磁通应该被控制在一个恒定值。磁 通幅值太小，会造成铁芯材料的浪费，同时电机无法提供足够大的转矩。而 磁通幅值太大，会导致铁芯材料的饱和和励磁电流的增大，增大系统的损耗 并降低系统的可靠性。在传统的两电平直接转矩控制系统中，采用两点式调 节直接控制电机的电磁转矩和定子磁链，确定合适的开关状态，控制变频装 置的输出。三电平电压矢量选择的基本原理，与传统的两电平电压矢量的选 择是相似的，即电压矢量的选择仍然要满足定子磁链和电磁转矩的要求。 根据定子磁链方程： 虬= 批- i , r , ) d t i n ，d t 在忽略定子电阻足的情况下，电机定子磁链虬 矢量“，的方向，如图2 7 所示。 虬1虮i ( 2 1 9 ) 的运动方向将沿着电压 图2 7 矢量作用图 对异步电机施加非零电压矢量时，磁通的运行方向和幅值都将发生变化： 对异步电机施加零矢量时，磁通的方向和幅值基本不变。同时，当所施加的 电压矢量与当前的磁通矢量之间的夹角的绝对值大于9 0 度时，该矢量作用 的结果是使得磁通幅值增加；当施加的电压矢量与当前的磁通矢量之间的夹 角的绝对值小于9 0 度时，该矢量作用的结果是使得磁通幅值减小。 j ， 一 少一 一 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 在直接转矩控制系统中，采用圆形磁链控制方案，就是估计出磁链的幅 值，将其与参考值进行滞环比较，确定下周期应增加还是减少磁链，再根 据磁链所在扇区判断出当前应发的矢量。如图2 8 所示。 图2 8 磁通滞环比较器 其中，占是滞环比较时的容差限。我们控制磁链幅值在给定值附近，当 磁链幅值超出了限制域，则发出相应的磁链开关量信号h _ p h i ( 1 或0 ) ，要 求产生相应的电压矢量去增加或者减少磁链幅值。 在三电平系统中，以中大矢量为角分线划分整个平面为1 2 个扇区，以 第一扇区( 图2 - 2 阴影区域) 为例加以说明。从三电平逆变器电压矢量分布 图( 图2 2 ) 可见，当要求增加磁链幅值时，可以选择电压矢量p n o 或者 p o n ；当要求减少磁链幅值时，可以选择电压矢量n n p 或者n p n 。当然，还有 很多矢量是符合要求的，这就要综合考虑转矩和中点电压的要求；同时，还 要考虑开关频率最少的问题，也就是说，要求每一时刻开关动作的次数最少。 2 5 2 电磁转矩控制原理 对于异步电机来说，从转矩到转速是一个积分环节，积分的时间常数由 电机的机械惯性决定，并且当系统确定后就不能更改。因此，只有转矩可以 影响转速，转矩控制性能的好坏直接影响到调速系统的动静态性能。电磁转 矩方程( 2 一1 7 ) 中，用转子磁链代替定子电流，可得如下形式 正2 专( 一虬肌) ( 2 - 2 2 - 2 u ，、)hkj 式中， 乞= ( t 一焉) 厶 电磁转矩的大小和方向是由转子磁链和定子磁链的叉积决定的。由于在 系统运行中，定子磁链的幅值应保持不变；而转子磁链的幅值由负载决定， 要改变电磁转矩的大小，可以通过改变定转子磁通间的夹角来实现。而转子 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 磁通的旋转速度不会突变，因而通过改变定子磁通的旋转速度来达到改变转 矩的目的。 图2 - 9 电压矢量对转矩的影响 假设电机逆时针旋转，磁链处于图2 - 9 中位置，那么上面两个是增大转 矩，下面两个是减小转矩。一般地，当施加超前于定子磁链的电压矢量时， 定子磁通的旋转速度大于转子磁通的速度，则定转子磁通间的夹角增大，相 应地电磁转矩增加；当施加零矢量或者滞后于定子磁链的电压矢量时，相当 于使定子磁通停滞不前或者反转，而转子磁通继续旋转，则定转子磁通间的 夹角减小，相应地电磁转矩减小。同样采用转矩滞环控制，如图2 - 9 所示。 当要求增加转矩时，h t e = 1 ；当要求减少转矩时，h t e = 1 ：当转矩在容差 范围内时，ht e = 0 。 图2 一1 0 转矩滞环比较器 事实上，直接转矩控制的基本控制思想就是，通过电压空间矢量u s ( f ) 来 控制定子磁链的旋转速度，控制定子磁链走走停停，以改变定子磁链的平均 旋转速度q ，的大小，从而改变定转子磁通间夹角的大小，以达到控制电动 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 机转矩的目的。 2 5 3 定子磁通和电磁转矩的观测 定子磁链和电磁转矩的闭环控制是通过两个b a n g b a n g 控制器来调节 完成的。将转矩实际值与转矩给定值进行比较，当两者之差大于容差限，则 要求减小转矩，输出转矩开关信号h t e 为o ；当两者之差小于容差限，则 要求增加转矩，输出h t e 为l 。 将圆形磁链的幅值与给定值进行比较，当两者之差大于容差限，则要求 减小磁链，输出磁链量开关信号h _ p h i 为0 ；当两者之差小于容差限，则要 求增加磁链，输出h p h i 为l 。 对定子磁链进行估算，可以有多种方法，将在后面章节介绍。这里只介 绍一种最简单的方法电压模型法。 由式2 1 9 可知，只要知道定子电压和定子电流，以及电机的定子电阻， 就可以估算出电机的定子磁链。在3 0 额定转速以上时，该方法能够准确的 确定定子磁链。积分器可以采用一阶惯性环节l - 来近似。 对于圆形磁链，当确定了定子磁链的口和口轴分量后，磁链幅值、相角 按下式计算： iy ，2 、虻+ y ； 怫( 塑) 1 8 咖 q 2 2 ) 【 电磁转矩的估算相对简单，在计算出定子磁链以后，由定子磁链和定子 电流，就可以按式( 2 1 7 ) 计算出电磁转矩： d = n ，【y s 口z s 一妙s 办口) ( 2 2 3 ) 2 5 4 定子磁通和电磁转矩参考值的设定及扇区划分 在控制系统中，需要设定定子磁通和电磁转矩的参考值，来对电机的实 际值进行调整。在调速系统中，转矩参考值的设定，是通过将转速的误差信 号经过一个p l 调节器输出作为转矩的设定值，进而达到对转速的闭环控制。 定子磁链幅值对用户来说是不透明的，但是对于一般的中小型异步电动机来 说，其幅值的额定值相差不大。 由= r + 虬，得到稳态时的公式： 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 乓= “，一足= q ( 2 2 4 ) 从而，ie si - 孝ft s | _ qi 虮j 式中，孝为电势系数，一般，对中小容量的异步电机， 0 9 3 。 所以，对于一台线电压为3 8 0 v 、频率为5 0 h z 的中小容量异步电机来说， 基速以内的定子磁链幅值给定计算如下 ：业型：0 9 3 x 3 8 0 ：1 1 3 ( r v t , w b )。= 二二_ = = 1 ) q 2 n x5 0 当电机在基速以上运行时，考虑到电机的绝缘，电压不能再升高，只能 维持在额定电压，如果要求转速继续上升，则必须降低磁通幅值。此时磁通 给定值仍然按式( 2 2 4 ) 计算，只是此时的不再是基频5 0 h z ，而是大于 5 0 h z 的值，也就是说，在基速以上时，定子磁通给定值应减小，即所谓的 弱磁。 在直接转矩控制中扇区的划分原则是以中矢量和长矢量的角平分线为扇 区的边，图2 2 中阴影部分为扇区一，按逆时针方向旋转，共分为十二个扇 区。具体的矢量选择方案见表2 1 ( 以扇区一为例) 。 表2 1 目标可选择的固定合成矢量 增加磁链和转矩p o n ，p p n 增强磁链减少转矩p n o ，p n p 减弱磁链增加转矩n p 0 ，n p n 减小磁链和转矩n o p ，n n p 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 第3 章大功率电机控制中存在的问题及解决方法 3 1 三电平空间电压矢量调制存在的问题 在三电平逆变电路中，由于电压矢量数为2 7 ，远大于两电平的矢量数8 ， 因此矢量选择范围大，能更好地逼近正弦磁通，控制电机能获得更好的性能。 同时，因每相桥臂由两个管子承受母线电压，系统容量变大，可靠性提高， 损耗减少，适合应用于高压大容量场合。 但另一方面，矢量选择也有一定的困难，开关矢量的选择更加复杂。此 外，三电平n p c 逆变电路中所固有的中点电压平衡的问题也必须考虑；而 且，要在前后矢量切换时避免过高的电压幅值跳变，否则将失去n p c 电路 d v a r t 小、可靠性高的特点。 三电平逆变器中电容电压的平衡问题是保证电机安全高效运行的一个重 要标志，若三电平逆变器的直流侧电容电压得不到平衡，一方面会使输出电 压零序分量增大，这对交流传动装置会造成极大的破坏，另一方面会造成 i g b t 等开关器件关断时承受的电压不一致，严重时会导致开关器件击穿， 所以中点电位漂移是三电平逆变器必须面对且要解决的问题。 3 2 中点电压不平衡的原因 三电平逆变器中点电压不平衡主要有两个原因，一是由于开关器件本身 的杂散特性不一致；二是变换器拓扑结构本身的特点所造成的内因。三电平 变换器在能量转换时候中点电位参与能量的传输，因此会产生两个电容电压 分压不均的问题，也即中点电压平衡问题。首先来讨论一下三电平这种拓扑 结构造成中点电位不平衡的内因。 三电平逆变器中点电压与流入中点的电流密切相关，其关系可以据图 3 1 ( a ) 推得。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 图3 1中点电压与中点电流关系图 ：gd ( g c 2 - v 。) ，： d , f i 2g d ( g c d f 2 + z o ) 式中z o 为中点电位，取c 1 = e = c ，则 1 1 7 = 一f ，= 一2 c u o ( 3 - 1 ) 。 d f 从3 - 1 式可以看出中点电压随中点电流、的变化而变化，且中点电流的 方向决定中点电位漂移的方向。进一步分析可知矗的方向与、厶的方向是固 定的，只有两种状况，如图3 - 1 ( b ) 、3 - 1 ( c ) 所示，明确这一点是准确控制中 点电位的重要前提。 在前面的机理分析中，我们假定直流侧两个电容的电压均为2 。而 实际上，由于电流相位的偏移，三电平逆变器的直流侧两个电容的电压并不 完全相等，而是存在一定的波动，这种波动会改变三电平系统固有电压矢量 的属性，下面就这一变化进行分析。 设电容c l 上的电压为z c = c 2 - a v ，电容c 2 上的电压为 屹：= 2 + a v 。根据2 4 0 式定义的开关函数，不妨以小矢量 100 、 0 一l 一1 ，中矢量 10 1 ，大矢量 1 1 一1 为例来分析中点电位偏移量a v 对整个矢量系统的影响。 设与 100 对应的矢量为k + ，与 0 - 1 - 1 对应的矢量为k ，则有： ( 3 - 2 ) 一 一 一 0 o 么 么 o j 3 矿 矿 2 2 一 +n j 口j ， = = 1 j 1 j o o + + 1ll 、l，、l， 矿 矿 一 + o 厶 2 广l广l 2 3 2 3 = = 矿 矿 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 分析3 - 2 式可知：a v 会影响小矢量的的幅值，且这一变化量为a v 2 3 ， 但没有改变小矢量的幅角即小矢量的方向，如图3 - 2 ( a ) 所示。 同理分析对a v 中矢量 10 1 的影响，有下式成立： 巧= 弛2 - a v ) 1 + 0 + ( 2 - a v ) x ( - 1 ) e j 等i = 去 ( 3 2 一av ) + 压( i ，+ 2 ) = 詈3 矿2 历4 + v 2 2 0 。 腓r c t a n 黜 由上式可知：a v 使得中矢量的幅值和幅角均发生了变化，而这一变化 可以通过中矢量的顶点在六边形外边线上滑过的距离s 来体现： a s = 三, 3 v ，4 + a 沪s i n ( o 一3 0 = ) n “ = 吉踞 誓。辩一互1 瑞 3 ( 3 - 3 ) a v 对中矢量的影响如图3 - 2 ( b ) 所示。 对于大矢量 1 1 1 而言： 圪= ( 2 一功l + ( y o c1 2 + 功( - 1 ) 扩州3 + ( 孑+ 功( - 1 ) 吲刁 = 2 3 2 0 。 由3 - 3 式可知，a v 对大矢量无任何影响。 由于a v 造成上下两个电容电压不对称，这一方面会加剧交流输出侧电 压的畸变，另一方面会造成开关器件耐电不均，严重时会导致开关器件击穿， 所以中点电位的漂移是三电平逆变器必须解决的问题。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 j l 俺 2 一n 蚴 锻飘 泐剿 m 舻 图3 - 2中点电位偏移对小矢量和中矢量的影响 明确了各种矢量对中点电位有无影响仅是一个基础，更为重要的是要确 定在不同负载连接状况下，施加不同矢量对当前中点电位的影响，这才是准 确控制中点电位的核心所在。图3 3 展示了所有可能会影响到中点电位的各 种负载连接状况。根据前面的知